HEC-RAS模型在跨河桥梁防洪壅水计算中的应用

HEC-RAS模型在跨河桥梁防洪壅水计算中的应用

发表时间：2018-10-22T11:08:08.947Z 来源：《防护工程》2018年第14期作者：杨作书[导读] 介绍了HEC-RAS模型计算桥梁壅水的基本原理和应用范围，利用 HEC-RAS模型计算了50年、20年和10年一遇设计洪水频率下跨河桥梁建设前后河道水面线

杨作书

中水珠江规划勘测设计有限公司海南分公司海南海口 571126 摘要：介绍了HEC-RAS模型计算桥梁壅水的基本原理和应用范围，利用 HEC-RAS模型计算了50年、20年和10年一遇设计洪水频率下跨河桥梁建设前后河道水面线，分析了桥梁建设前后上游河道水位的壅高，并利用规范的经验公式对计算结果进行了验证，结果表明两者的计算值相差均较小，HEC-RAS模型用于跨河桥梁的壅水计算是合适的。关键词：HEC-RAS模型；防洪；壅水高度；水面线

0 引言

随着社会经济的发展和需要，河道中出现越来越多的涉河工程，这些跨河桥梁的的建设侵占行洪断面[1]面积，造成河道水位壅高，对河道防洪产生了较大影响。根据《河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制导则(试行）的规定，对占用河道断面，影响洪水下泄的阻水建筑物，应进行壅水计算。本文基于HEC-RAS[2]模型对跨河桥梁的壅水进行了研究。

1 HEC-RAS模型介绍

HEC-RAS是美国陆军工程兵团水文工程中心（USACEHEC）开发的河流分析系统（RAS）软件，主要由河流恒定流模型、非恒定流模型、泥沙分析模型、水质分析模型、以及水力设计模块等组成，其在河道水力分析计算中有着广泛应用，且软件经过工程验证，是国际上有名的水文水力工程软件之一。

HEC-RAS 软件通过不同子模型可以模拟不同设计方案的河道沿程水位、水质变化分析，以及泥沙输移变化规律等，各子模型的地形文件可以很好地处理各种涉河建筑物如桥梁、涵洞、侧向堰、拦河闸坝、阻水障碍物等，同时可生成河道横断面图、水位～流量过程曲线、河道三维断面图等各种分析图表，为河道整治[ 3,4] 、两岸淹没风险分析、防洪堤建设、涉河建筑物设计、模拟溃坝洪水[5] 等方面决策提供服务，使用十分便捷，可以大大减小计算工作量。

1.1基本原理

HEC-RAS 软件包括图形界面、水力分析模块、资料输入与管理模块、以及结果输出模块等功能。用户操作界面见图1，该界面可以进行新建工程，地形和流量文件编辑与管理，并根据不同模拟需求进行恒定流、非恒定流、泥沙、水质分析等。

图1 HEC-RAS最新版V5.0.3使用界面

该模型的基本原理介绍如下：

1、恒定流水动力模型

HEC-RAS恒定流水动力模型计算原理基于能量守恒方程，逐断面采用直接步进法推求，可以对急流、缓流和临界流3种流态进行水面线计算，公式如下：

能量守恒方程：

2 案例计算与分析

2.1工程概况

G河是海南省东方市境内流入海的最大一条河流，发源于东方市与乐东县交界的朦瞳岭。G河流域面积381 km2，河长54.5km，干流平均坡降4.45‰，由东向西流经陀烈谷地经C城镇，最终汇入北部湾。GC大桥位于G河下游，距出海口约2.5km，河段较顺直，区间无较大支流汇入。GC大桥设计长300m，21孔，中墩直径为1.15m，过水净宽277m，设计桥面高程9.8~10.8m，桥板厚度1.0m，设计洪水频率1/100。河段防洪标准10年一遇。

2.2计算参数选取

本次计算地形资料采用2014 年实测地形。根据工程规模及河道特性，选取河段长4.3km，共设27个计算断面，第18断面为桥址断面。断面布置见图2。河道几何资料的建立: (1) 27号断面为上游边界，位于桥址断面上游1.8km 处，经壅水范围估算此处河段不受回水影响且河道地形平缓。(2) 结合该河段河道情况选取1号断面为下边界，位于桥址下游2.5km。（3）本次模型流量边界采用不同频率最大洪峰流量，下边界水位采用对应不频率的设计潮位值。详见表1。